L’inizio di qualsiasi impresa complessa o impegnativa è sempre la parte più difficile. Non tutti ci svegliamo e saltiamo giù dal letto pronti per la giornata. Alcuni di noi, come me, hanno bisogno di un po’ di energia in più per passare dal sonno alla giornata. Una volta che ho preso una tazza di caffè, il mio livello di energia salta e sono a posto per il resto della giornata. Le reazioni chimiche funzionano più o meno allo stesso modo. Anche loro hanno bisogno del loro caffè. Noi lo chiamiamo energia di attivazione.
Capire come funziona può essere una prospettiva utile come parte del nostro reticolo di modelli mentali.
Sia che usiate la chimica nel vostro lavoro quotidiano o che facciate del vostro meglio per non pensarci dai tempi della scuola, le idee dietro l’energia di attivazione sono semplici e utili al di fuori della chimica. Comprendere il principio può, per esempio, aiutarti a far mangiare le verdure ai bambini, a motivare te stesso e gli altri, e a superare l’inerzia.
Come funziona l’energia di attivazione in chimica
Le reazioni chimiche hanno bisogno di una certa quantità di energia per iniziare a funzionare. L’energia di attivazione è l’energia minima richiesta per far avvenire una reazione.
Per capire l’energia di attivazione, dobbiamo prima pensare a come avviene una reazione chimica.
Chiunque abbia mai acceso un fuoco avrà una comprensione intuitiva del processo, anche se non l’ha collegato alla chimica. Sappiamo che mettere un singolo fiammifero su un grosso tronco non sarà sufficiente e che un lanciafiamme sarebbe eccessivo. Sappiamo anche che i materiali umidi o densi richiedono più calore di quelli asciutti. La quantità imprecisa di energia di cui sappiamo di aver bisogno per accendere un fuoco è rappresentativa dell’energia di attivazione.
Perché una reazione avvenga, i legami esistenti devono rompersi e se ne formano di nuovi. Una reazione procede solo se i prodotti sono più stabili dei reagenti. In un incendio, convertiamo il carbonio sotto forma di legno in CO2 ed è una forma di carbonio più stabile del legno, quindi la reazione procede e nel processo produce calore. In questo esempio, l’energia di attivazione è il calore iniziale richiesto per far partire il fuoco. Il nostro sforzo e i fiammiferi spesi sono rappresentativi di questo.
Possiamo pensare all’energia di attivazione come alla barriera tra i minimi (i più piccoli valori necessari) dei reagenti e dei prodotti in una reazione chimica.
L’equazione di Arrhenius
Svante Arrhenius, uno scienziato svedese, ha stabilito l’esistenza dell’energia di attivazione nel 1889.
Arrhenius sviluppò la sua equazione omonima per descrivere la correlazione tra la temperatura e la velocità di reazione.
L’equazione di Arrhenius è fondamentale per calcolare la velocità delle reazioni chimiche e, soprattutto, la quantità di energia necessaria per avviarle.
Nell’equazione di Arrhenius, K è il coefficiente di reazione (la velocità di reazione). A è il fattore di frequenza (quanto spesso le molecole si scontrano), R è la costante universale dei gas (unità di energia per incremento di temperatura per mole), T rappresenta la temperatura assoluta (di solito misurata in kelvin), ed E è l’energia di attivazione.
Non è necessario conoscere il valore di A per calcolare Ea poiché questo può essere calcolato dalla variazione dei coefficienti di velocità di reazione in relazione alla temperatura. Come molte equazioni, può essere riorganizzata per calcolare diversi valori. L’equazione di Arrhenius è usata in molte branche della chimica.
Perché l’energia di attivazione è importante
Comprendere l’energia necessaria perché una reazione avvenga ci dà il controllo su ciò che ci circonda.
Ritornando all’esempio del fuoco, la nostra conoscenza intuitiva dell’energia di attivazione ci tiene al sicuro. Molte reazioni chimiche hanno elevate esigenze di energia di attivazione, quindi non procedono senza un input aggiuntivo. Sappiamo tutti che un libro su una scrivania è infiammabile, ma non brucerà senza applicazione di calore. A temperatura ambiente, non abbiamo bisogno di vedere il libro come un pericolo di incendio. Se accendiamo una candela sulla scrivania, sappiamo di allontanare il libro.
Se le reazioni chimiche non avessero requisiti affidabili di energia di attivazione, vivremmo in un mondo pericoloso.
Catalizzatori
Le reazioni chimiche che richiedono notevoli quantità di energia possono essere difficili da controllare.
L’aumento della temperatura non è sempre una fonte di energia praticabile a causa dei costi, dei problemi di sicurezza, o della semplice impraticabilità. Le reazioni chimiche che avvengono nel nostro corpo, per esempio, non possono usare alte temperature come fonte di energia di attivazione. Di conseguenza, a volte è necessario ridurre l’energia di attivazione richiesta.
Accelerare una reazione abbassando l’energia di attivazione richiesta si chiama catalisi. Questo viene fatto con una sostanza aggiuntiva nota come catalizzatore, che generalmente non viene consumata nella reazione. In linea di principio, basta una piccola quantità di catalizzatore per provocare la catalisi.
I catalizzatori funzionano fornendo un percorso alternativo con requisiti di energia di attivazione inferiori. Di conseguenza, più particelle hanno energia sufficiente per reagire. I catalizzatori sono usati nelle reazioni su scala industriale per abbassare i costi.
Ritornando all’esempio del fuoco, sappiamo che tentare di accendere un grosso tronco con un fiammifero è raramente efficace. Aggiungendo della carta si ottiene un percorso alternativo e si funge da catalizzatore – gli accendifuoco fanno lo stesso.
Nel nostro corpo, gli enzimi fungono da catalizzatori in reazioni vitali (come la costruzione del DNA.)
“L’energia può avere due dimensioni. Una è motivata, andare da qualche parte, un obiettivo da qualche parte, questo momento è solo un mezzo e l’obiettivo sarà la dimensione dell’attività, orientata all’obiettivo – allora tutto è un mezzo, in qualche modo deve essere fatto e devi raggiungere l’obiettivo, poi ti rilasserai. Ma per questo tipo di energia, la meta non arriva mai perché questo tipo di energia continua a cambiare ogni momento presente in un mezzo per qualcos’altro, nel futuro. La meta rimane sempre all’orizzonte. Si continua a correre, ma la distanza rimane la stessa. No, c’è un’altra dimensione dell’energia: questa dimensione è la celebrazione immotivata. La meta è qui, ora; la meta non è altrove. In effetti, tu sei la meta. In effetti, non c’è altro compimento che quello di questo momento – considerate i gigli. Quando tu sei la meta e quando la meta non è nel futuro, quando non c’è niente da raggiungere, piuttosto stai solo celebrando, allora l’hai già raggiunto, è lì. Questo è rilassamento, energia immotivata”.
– Osho, Tantra
Applicare il concetto di energia di attivazione alla nostra vita quotidiana
Anche se l’energia di attivazione è un concetto scientifico, possiamo usarlo come modello mentale pratico.
Ritornando all’esempio del caffè del mattino, molte delle cose che facciamo ogni giorno dipendono da una spinta iniziale.
Prendiamo l’esempio di una classe di studenti che impostano un saggio per il loro lavoro di corso. Ogni studente richiede un diverso tipo di energia di attivazione per iniziare. Per uno studente, potrebbe essere sentire la sua amica dire che ha già finito il suo. Per un altro, potrebbe essere bloccare i social media e spegnere il telefono. Un altro studente potrebbe aver bisogno di qualche lattina di Red Bull e di una scadenza imminente. O, per un altro, leggere un articolo interessante sull’argomento che fornisce una scintilla di ispirazione. L’atto di scrivere un saggio richiede un certo tipo di energia.
Far mangiare le verdure ai ragazzi può essere un processo difficile. In questo caso, gli incentivi possono fungere da catalizzatore. “Non puoi avere il tuo dessert finché non mangi le tue verdure” non è solo un gioco psicologico di incentivi; spesso richiede anche meno energia che combattere costantemente con i bambini per mangiare le loro verdure. Una volta che i bambini mangiano una carota, generalmente ne mangiano un’altra e un’altra ancora. Anche se vogliono ancora il dolce, non dovrete ricordarglielo ogni volta, quindi risparmierete un sacco di energia.
Il concetto di energia di attivazione si può applicare anche a fare cambiamenti drastici nella vita. Chiunque abbia mai fatto qualcosa di drammatico e difficile (come smettere una dipendenza, lasciare una relazione abusiva, lasciare un lavoro a lungo termine, o fare cambiamenti cruciali nello stile di vita) sa che è necessario raggiungere prima un punto di rottura. Più grande e impegnativa è un’azione, più energia di attivazione richiediamo per compierla.
Il nostro bevitore di caffè potrebbe desiderare poca energia di attivazione (una tazza o due) per iniziare la sua giornata se è ben riposato. Nel frattempo, ci vorrà molto più caffè per farlo partire se ha dormito male e ha una giornata noiosa da affrontare.
Conclusione
Comprendere e usare il concetto di energia di attivazione nella nostra vita non richiede una laurea in chimica. Mentre il concetto usato dagli scienziati è complesso, possiamo usare l’idea di base.
Non è una coincidenza che molti dei modelli mentali più utili nel nostro reticolo abbiano origine dalla scienza. C’è qualcosa di molto poetico nel modo in cui il comportamento umano rispecchia ciò che avviene a livello microscopico.
Per altri esempi, guardate il Rasoio di Occam, la falsificazione, i cicli di feedback e l’equilibrio.
0 commenti